DE4432271A1 - Verfahren zum Verbinden von Kunststoff-Formteilen - Google Patents

Verfahren zum Verbinden von Kunststoff-Formteilen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Kunststoff-Formteilen mit Hilfe eines ein- oder zweikom­ ponentigen Klebstoffes, wobei die Verbindungsfuge durch Metallstreifen überbrückt ist und diese Metallstreifen zumindest teilweise in die Klebstoff-Schicht eingebettet sind, insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Ausbessern von beschädigten Kunststoff-Formteilen.
In einer Reihe von Industriezweigen, insbesondere in der Automobilindustrie, werden zunehmend Formteile aus Metall durch solche aus Kunststoffen ersetzt. Dieser Einsatz von Kunststoff-Formteilen dient zum einen der Gewichts­ ersparnis und zum anderen der Vereinfachung von Ferti­ gungsabläufen. In der Automobilindustrie werden z. B. Heck­ klappen von Automobilen, Kotflügelteile und insbesondere Stoßfänger aus Kunststoff-Formteilen in zunehmendem Umfang verwendet. Diese Kunststoff-Formteile können aus einer Vielzahl von verschiedenen Kunststoffen bzw. Verbundwerk­ stoffen bestehen, beispielhaft erwähnt seien Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat, Acrylnitrilbutadienstyrolter­ polymere (ABS), Polyamid, Polyurethan, Polyepoxide, Poly­ ester, letztere insbesondere in Form der Verbundwerkstoffe Sheet Moulding Compound (SMC) oder Bulk Moulding Compound (BMC). Außerdem kommen häufig sogenannte Polymerblends, wie z. B. die EPDM-modifizierten Polyethylene und Poly­ propylen-Werkstoffe zum Einsatz.
Beim Betrieb der mit diesen Kunststoff-Formteilen ausgerüsteten Maschinen, Apparate und insbesondere Fahrzeuge (Automobile) können diese Kunststoff-Formteile beschädigt werden. Insbesondere die Stoßfänger von Auto­ mobilen werden häufig bei Kraftfahrzeugunfällen beschädigt.
Bisher wurden die beschädigten Formteile in der Regel durch neue Teile ersetzt und nicht repariert.
Diese Vorgehensweise hat für den Verbraucher zwei entscheidende Nachteile: Zum einen sind die Kosten durch den Austausch des Teiles durch ein neues Teil erheblich höher, als wenn mit einfachen Methoden das Kunststoff-Formteil repariert würde, zum anderen muß das beschädigte Kunststoff-Formteil entsorgt werden. Diese bisher notwendige Entsorgung von sperrigen und voluminösen Teilen ist aus Umweltschutzgründen in hohem Maße unerwünscht, außerdem tragen die Entsorgungskosten zu einem maßgeblichen Teil zur Erhöhung der Reparaturkosten bei.
Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, Reparaturver­ fahren für die Reparatur derartig beschädigter Kunststoff-Formteile zu entwickeln, jedoch haben alle bisher bekannten Verfahren in der Praxis erhebliche Nachteile gezeigt.
Die EP-A-186081 schlägt für Karosserie-Reparaturen die Verwendung von Blechen vor, die mit Schmelzklebstoffen auf Basis thermoplastischer Copolymerer beschichtet sind, diese derartig beschichteten Bleche werden dann über die beschädigte Stelle geklebt. Dieses Verfahren ist jedoch nur für Blechteile und nicht für Kunststoff-Formteile ver­ wendbar, da hier die zu reparierende Stelle auf Tempera­ turen vorgewärmt werden muß, bei denen der Schmelzkleb­ stoff auf Basis von thermoplastischer Blockcopolymeren erweicht, d. h., es muß auf Temperaturen von oberhalb 100°C erwärmt werden. Viele Kunststoff-Formteile, insbesondere solche auf Basis von thermoplastischen Materialien, ver­ lieren bei diesen Temperaturen ihre Formstabilität und ihre mechanischen Eigenschaften, so daß das in der EP-A-186081 vorgeschlagene Verfahren nicht für die Reparatur von Kunststoff-Formteilen geeignet ist.
Die EP-A-315101 beschreibt eine Methode zur Reparatur von beschädigten Artikeln aus Verbundwerkstoffen. Dabei wird die beschädigte Stelle des Verbundwerkstoffes durch Auf­ kleben von Metall oder ausgehärteten Verbundwerkstoff-Stücken auf die Fläche, die die beschädigte Fläche umgibt, ausgebessert. Als Klebstoff wird hier eine kautschuk­ modifizierte Vinylesterharz-Zusammensetzung vorgeschlagen. In einer anderen Ausführungsform wird ein ungehärtetes Verstärkungsmaterial mit einer kautschukmodifizierten Vinylesterharz-Zusammensetzung getränkt und über die vor­ bereitete beschädigte Zone gelegt und dort ausgehärtet. Als Verstärkungsmaterial werden Graphitfasergewebe bzw. Glasfasergewebe vorgeschlagen. Gemäß EP-A-315101 wird die beschädigte Zone vollflächig mit dem Metall bzw. Verbund­ werkstoff überklebt. Es werden keine Angaben darüber gemacht, ob dieses Reparaturverfahren auch für die Reparatur von Kunststoff-Formteilen aus thermoplastischen Materialien geeignet ist.
Sehr häufig weisen die beschädigten Stellen von Kunst­ stoff-Formteilen, insbesondere Stoßfänger von Automobilen längere Risse auf, die die mechanische Festigkeit des Formteils drastisch reduzieren. Versucht man, diese Stellen nach herkömmlichen Methoden des Standes der Technik durch vollflächige verstärkende Verklebung mit Blechteilen bzw. durch Verklebung unter Zuhilfenahme von Glasfaser-Geweben zu reparieren, so zeigt sich, daß die mechanischen Eigenschaften des derartig reparierten Form­ teils erheblich schlechter sind als die des ursprünglichen unbeschädigten Formteils. Bei der großflächigen Verklebung mit Blechen beobachtet man, daß, z. B. beim Pendelschlag­ versuch, die Verklebung großflächig abplatzt, bei der Reparatur mit Hilfe von Glasfaser-Matten reißt beim Zugversuch unter Verwindung des Formteils die Verklebung an der ursprünglichen Rißstelle ein. Auch beim Pendel­ schlagversuch reißt das Fasergewebe an der ursprünglichen Rißstelle. Es bestand also Bedarf, ein Verfahren zu entwickeln, das die Reparatur von beschädigten Kunststoff-Formteilen, insbesondere solchen, wie sie in der Automo­ bilindustrie verwendet werden, mit einfachen Mitteln ermöglicht. Dieses Verfahren sollte weiterhin gewährlei­ sten, daß das reparierte Teil nicht nur optisch einwand­ frei aussieht, sondern auch in seinen mechanischen Eigenschaften denen des neuen Teils gleichwertig ist.
Es wurde jetzt gefunden, daß eine Kombination von schmalen Metallstreifen als Verstärkungsmittel und einem ein- oder zweikomponentigem Klebstoff eine Reparatur von Kunststoff-Formteilen dergestalt ermöglicht, daß diese ihre ursprüng­ lichen mechanischen Gebrauchseigenschaften zurückbekommen.
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zum Verbinden von Kunststoff-Formteilen mit Hilfe eines ein- oder zwei­ komponentigen Klebstoffes, wobei die Verbindungsfuge durch mindestens einen Metallstreifen überbrückt ist und dieser oder diese Metallstreifen zumindest teilweise in die Kleb­ stoffschicht eingebettet ist/sind.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verbund von Kunststoff-Formteilen, der mit Hilfe eines ein- oder zwei­ komponentigen Klebstoffes hergestellt wurde, wobei die Verbindungsfuge durch mindestens einen Metallstreifen überbrückt ist und dieser/diese Metallstreifen zumindest teilweise in die Klebstoffschicht eingebettet ist/sind.
Für dieses Reparatur-Verfahren geeignet sind alle Formteile aus Kunststoffen, wie sie z. B. im Automobilbau verwendet werden:
Kautschukmodifizierte Polyolefine, insbesondere EPDM-modi­ fiziertes Polyethylen und/oder Polypropylen, Polycarbonat, ABS, Polyamid, Polyurethan, Faserverstärkte Kunststoffe wie z. B. SMC oder BMC.
Als Klebstoffe eignen sich für die erfindungsgemäßen Reparaturverfahren alle ein- bzw. zweikomponentigen Kon­ struktionsklebstoffe (structural adhesive), sofern sie in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis etwa maxi­ mal 90°C mit ausreichender Geschwindigkeit aushärten. Beispiele für derartige Klebstoffe sind ein- oder zwei­ komponentige Epoxyklebstoffe, ungesättigte Polyester in Kombination mit Styrol und/oder Methacrylaten, (Meth)-acrylat-Klebstoffe und insbesondere zweikomponentige Polyurethan-Klebstoffe.
Zur Gewährleistung einer dauerhaften und voll belastbaren Verklebung ist in der Regel eine Vorbeschichtung des Kunststoffteils mit einem haftvermittelnden Primer, z. B. auf der Basis von chloriertem Polyolefin zweckmäßig.
Als verstärkende Metallstreifen eignen sich Federstahl, Aluminium und ganz besonders elektrolytisch verzinktes Stahlblech, wie es beispielsweise im Karosseriebau ver­ wendet wird. Die Metallstreifen können zusätzlich zu der Verzinkung oder anstelle der Verzinkung durch andere gängige Methoden Oberflächen-vorbehandelt sein. Hierzu zählen z. B. Beschichtung mit sogenannten Grundierungen, Elektrotauchlackierungen, Phosphatierungen und/oder Lackierungen.
Die Abmessungen und die Anzahl der pro Reparaturverklebung zu verwendenden Metallstreifen können in breiten Grenzen variieren und richten sich nach der Größe der zu reparie­ renden Stelle und nach den Festigkeiten, die die Verklebung erreichen muß. Die Dicke der Metallstreifen kann zwischen 0,2 und 1,5 mm variieren, vorzugsweise zwischen 0,2 und 1,0 mm, ganz besonders bevorzugt sind die im Automobilbau verwendeten Blechstärken von 0,6 bis 0,9 mm. Länge und Breite der Metallstreifen richten sich nach der zu überbrückenden Klebefuge, die Länge kann zwischen 30 und 200 mm variieren, die Breite zwischen 5 und 20 mm. In einer ganz besonderen Ausführungsform sind die Metall­ streifen zwischen 60 und 90 mm lang und 10 mm breit. Bei der Reparatur von rißförmigen Beschädigungen wird mindestens ein Metallstreifen am Anfang des Risses ver­ klebt, vorzugsweise werden jedoch in weitgehend gleich­ mäßigen Abständen über die gesamte Länge des Risses Metallstreifen auf der Rückseite des beschädigten Form­ teils in die Klebstoffschicht eingebettet. Eine weitere Möglichkeit der erfindungsgemäßen Verklebung ist eine Kom­ bination von Metallstreifen und Fasermatten als Verstär­ kungsmittel, wobei mindestens ein Metallstreifen am Anfang des Risses eingeklebt werden sollte. Obwohl auch die Metallstreifen der Form des zu reparierenden Kunststoff-Teils angepaßt werden können, kann die Mitverwendung von Glasfaser-Matten oder Textilgeweben zweckmäßig sein, wenn die zu verklebende Schadstelle eine komplizierte Formge­ bung aufweist, oder wenn Teile der zu verstärkenden Reparaturstellen im Sichtbereich liegen, so daß eine sehr glatte Verklebung notwendig wird.
Die Aushärtung der Verklebung kann dabei gegebenenfalls durch Erwärmung der Klebestelle auf Temperaturen bis zu 90°C, vorzugsweise bis etwa 70°C beschleunigt werden, so daß das verklebte Teil bereits nach sehr kurzer Zeit weiterbearbeitet werden kann, z. B. geschliffen und lac­ kiert werden kann. Die Erwärmung kann dabei durch alle bekannten Wärmequellen, insbesondere durch Verwendung von Heißluftgebläsen oder IR-Strahler erfolgen.
Die erfindungsgemäße Verklebung der Formteile ist auch aus Gründen des Umweltschutzes sehr vorteilhaft, da die derartige verklebten Formteile aus thermoplastischen Kunststoffen voll recyclingfähig bleiben: Bei einer Zer­ kleinerung im z. B. Shredder und nachfolgender Granulierung stören die ausgehärteten Klebstoffreste die Wiederverwen­ dung des Kunststoffgranulats nicht, die Metallteile, ins­ besondere Stahlteile können durch gängige Separierungs­ methoden wie z. B. elektromagnetische Abscheidung oder Windsichtung aus dem Granulat entfernt werden.
Anhand der nachfolgenden Beispiele soll die Erfindung näher erläutert werden:
Zur Simulation eines Risses wurden zwei Prüfkörper aus EPDM-modifiziertem Polypropylen mit den Abmessungen 25×60×5 mm auf der zu verklebenden Fläche mit Schleif­ papier aufgerauht und mit einem Primer auf Basis eines modifizierten chlorierten Polypropylens (Handelsname Tero­ kal 150, Teroson) eingestrichen. Die beiden Prüfkörper wurden sodann an ihrer kurzen Kante auf Stoß gegenüberge­ legt und die Klebstofffläche mit einer Raupe eines zwei­ komponentigen Polyurethan-Klebstoffes (Terokal 9225, Fa. Teroson) beschichtet. In diese Klebstoffschicht wurden dann Metallstreifen gelegt und diese mit den Fingern leicht in die Klebstoffschicht hineingedrückt. Nach drei Tagen bei Raumtemperatur wurde die Verklebung einer Pendelschlagprüfung in Anlehnung an DIN 51222 unterworfen. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt.
Erfindungsgemäße Versuche
Vergleichsversuch
Praxisversuche
In einem Praxisversuch wurde ein beschädigter Stoßfänger aus EPDM-modifiziertem Polyethylen, der einen Riß von 670 mm Länge hatte, erfindungsgemäß unter Verwendung von 16 elektrolytisch verzinkten Stahlblechstreifen der Abmessun­ gen 40×25 mm verklebt und ein Crash-Test nach den Spezi­ fikationen der Fa. Opel durchgeführt. Der Stoßfänger entsprach voll den Herstellerspezifikationen, d. h. er überstand den Crash-Test ohne Beschädigung.
Vergleichsversuche
Ein Stoßfänger gleichen Typs mit gleicher Rißform und Abmessung wurde mit Hilfe von Glasfaservlies geklebt. Der Crash-Test wurde nicht bestanden, der Stoßfänger riß an der Stelle der ursprünglichen Beschädigung erneut ein.
Ein Stoßfänger gleichen Typs mit gleicher Rißform und Abmessung wurde mit Hilfe eines einzigen großflächigen Stahlbleches von 40×150 mm geklebt. Bei der vorbereitenden Handhabung zum Crash-Test löste sich die Verklebung bereits aufgrund der geringfügigen Verwindung des Form­ teils. Aus den oben beschriebenen Versuchen geht eindeutig hervor, daß nur die erfindungsgemäßen Verklebungen eine volle Gebrauchstauglichkeit der verklebten Formkörper gewährleisten.
Anmerkung zu den Versuchen:
i.O.: Verklebung in Ordnung Materialbruch im Glasfaservlies n.i.O.: Verklebung nicht in Ordnung. Bei den Pendelschlag-Versuchen war das Schlagpendel mit 15 Kp beaufschlagt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verbinden von Kunststoff-Formteilen mit Hilfe eines ein- oder zweikomponentigen Klebstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsfuge durch mindestens einen Metallstreifen überbrückt ist und diese(r) Metallstreifen zumindest teilweise in die Klebstoffschicht eingebettet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Ausbessern von beschädigten Kunststoff-Formteilen verwendet wird.
3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall­ streifen Streifen aus elektrolytisch verzinktem und/oder grundiertem und/oder lackiertem Stahlblech verwendet werden.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall­ streifen 30 bis 200 mm lang und 5 bis 20 mm breit sind und 0,2 bis 1,0 mm dick sind.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunst­ stoff-Formteil vor der Verklebung auf den zu ver­ klebenden Stellen mit einem haftvermittelnden Primer beschichtet wird, und daß der Klebstoff aus der Gruppe der ein- oder zweikomponentigen Epoxykleb­ stoffe, Polyurethanklebstoffe, ungesättigte Polyester oder (Meth)acrylat-Klebstoffe ausgewählt wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verklebung nach Klebstoffauftrag auf 30°C bis 90°C erwärmt wird.
7. Verbund von Kunststoff-Formteilen hergestellt nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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